橋梁結構安全監測與預警

同濟大學孫利民

公路網是保障國家經濟建設和民生的重要社會基礎設施。橋梁是這一生命線工程的重要組成部分。截止至2010年底，我國公路橋梁總數到達65萬座，公路橋梁總里程達到210萬延米，超過美國成為世界上**的公路橋梁國家。

一般認為，橋梁使用超過25年即進入性能加速退化期。我國40%的橋梁屬于“老齡”橋梁，早在2004年全國橋梁普查就查出危橋1萬3千余座，總長47萬延米。橋梁結構在服役過程中受到設計標準、施工質量、材料退化、交通負荷、極端荷載和偶然事故等各種內外因素的作用和影響，其結構安全性如不能得到完全保障，將危機人民生命財產安全國家經濟建設。

橋梁結構安全保障技術廣義上包括在橋梁整個生命期內與安全性相關的規劃、設計、施工、管養和拆除等技術。我國“重建設、輕管養”的現象十分普遍，橋梁運營中面臨諸多問題，主要有超載問題、耐久性問題（鋼筋腐蝕、凍融循環、堿骨料反應等）、疲勞問題、突發事件（車船撞擊、地震、颶風等）、養護資金緊缺和缺乏有效的管理等；國內橋梁養護現狀則可歸納為：對橋梁養護維修知識不足；近年道路建設規模大、管養資金緊張；目前，橋梁養護管理工作基本上還停留在建立技術檔案、清掃橋梁、疏通泄水管、修復損壞的欄桿和橋面鋪裝；即使進行檢查，主要也是人工目測或借助儀器檢測等巡檢養護措施。對橋梁采取有效的檢測與評估、監測與預警、維修與管理等技術措施，對于降低運營成本、延長橋梁結構的使用壽命、保障交通通暢具有重要意義。

橋梁結構安全狀態評估方法包括基于外觀調查的方法、以分析計算為主的方法和荷載試驗法三種?；谕庥^調查的方法包括應用于公路及城市橋梁養護規范的評定方法、美國的LFR和LRFR體系，其評定結果過度依賴評估工程師的經驗，受主觀因素的影響；以分析計算為主的方法通過橋梁結構進行計算分析對橋梁的技術等級進行評定，更具有科學性，困難在于難以準確建立在役橋梁的計算模型，評定結果可能與實橋情況有較大出入；荷載試驗法是評估橋梁安全狀態特別是承載能力的*有效、*直接方法，但其直接費用高，且實施過程中需要中斷交通。

基于健康監測的橋梁安全評定的基本思路是，首先根據橋梁監測數據對橋梁結構的損傷進行識別；然后，在此基礎上再對橋梁的安全狀態做出評定。結構損傷識別理論方法是目前*受關注的方法，包括動力指紋分析方法、模型修正方法、人工智能方法以及近年來提出的小波變換和希黃變換等新的數據分析方法等。結構安全評定方法包括可靠度理論、層次分析法以及結合經驗的專家系統等。

橋梁結構健康監測系統是基于傳感、信息、結構分析技術的自動監測與評估系統。它結合了無損檢測和結構特性分析，可以診斷結構中的損傷發生及其位置，估計損傷的程度及其對結構造成的影響。我國在這一領域的研究雖然起步稍晚，但進步很快。從早期香港的青馬大橋，再到內地的虎門大橋、江陰長江大橋、東海大橋、蘇通大橋等，短短數十年，我國已安裝規模不等的結構健康監測系統的各類橋梁已達140余座。這些先后建成的健康監測系統經過若干年的運行已積累了大量的寶貴數據，如何有效利用這些數據是今后需要研究的重要課題。

結構健康監測系統中評估子系統可劃分為在線評估系統和離線評估系統。在線評估系統可以根據監測數據對橋梁的狀態進行實時的在線評定，在有必要時發出不同級別的結構安全預警。但相關理論還不夠成熟，在線評估結果的準確性和可靠性還不能令人滿意。離線評估系統不僅依據結構健康監測系統的數據，同時還要結合人工檢測等其他渠道的信息，可以得到更高質量的結構安全評定結果，但還難以做到實時評估，只能給出中長期的結構安全預警或趨勢判斷。

橋梁健康監測技術所面臨的問題有：有限傳感器的優化布置以及合理確定系統的規模；橋梁結構性能的變化對結構指紋的不敏感，損傷識別尚處于理論研究階段；因系統規模決定的測量數據的不完整性以及因系統的穩定性造成的不連續性；對大量原始數據的實時處理和分析研究滯后，所獲取信息不能滿足工程需求；結構健康狀況評價方法尚不完善，難以給出合理結論及解釋；結構安全預警參數和閾值僅靠理論分析難以合理確定，需要在實踐中不斷調整優化；系統本身的穩定性、抗干擾性和耐久性不足，使用壽命難以得到保證；橋梁結構健康監測尚無統一的標準和規范，系統差異性太大；如何與其它相關系統特別是與傳統的巡檢養護系統的有效結合。

我國已進入橋梁建設與管養并重的時期，保證已建橋梁的結構安全對國計民生至關重要。但傳統技術不能滿足橋梁養護的工程需求。我國橋梁健康監測系統的工程應用走在了世界前列。需加強結構損傷識別、安全評定和安全預警等方面的理論方法研究。目前單獨依靠傳統的養護管理技術或結構健康監測技術都難以勝任結構全壽命安全管理的使命，應注重兩者的有機結合。